基于地球化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化方法的平湖市農(nóng)田土壤重金屬污染評(píng)價(jià)_圖文

1、基于地球化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化方法的平湖市農(nóng)田土壤重金屬污染評(píng)價(jià)*郝春明1,2 陳有鑑2 李瑞敏2 何緒文1(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京100083;2.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院,北京100081摘要 運(yùn)用地球化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化方法評(píng)價(jià)浙江省平湖市農(nóng)田土壤重金屬污染狀況。結(jié)果顯示,約50%的農(nóng)田土壤受到了重金屬人為污染,其中除了5.6%的農(nóng)田土壤受到了Hg 中度人為污染外,其余均為輕微人為污染。每種重金屬元素的地球化學(xué)基線值均可信,Cr 、Pb 、Cu 、Zn 、Ni 和As 與標(biāo)準(zhǔn)化元素Al 線性相關(guān)性較好,而Hg 和Cd 與Al 線性相關(guān)性不好,原因可能與后者受人類(lèi)活動(dòng)或土壤環(huán)境影響較大有關(guān);多

2、變量聚類(lèi)分析結(jié)果表明,平湖市農(nóng)田土壤重金屬元素組成特征為Cd 一族、Hg 一族,而Cu 、Pb 、Ni 、As 、Cr 和Zn 為一組合族。關(guān)鍵詞 地球化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化方法 評(píng)價(jià) 富集因子 人為污染 土壤 平湖市平湖市隸屬于浙江省嘉興市,為我國(guó)重要的服裝外貿(mào)生產(chǎn)基地,也是杭嘉湖平原重要的西瓜等作物的種植區(qū)。2002年,浙江省率先完成的1 250000農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),平湖市部分農(nóng)田土壤存在重金屬含量異常的現(xiàn)象153。重金屬含量異常是自然積累過(guò)程還是人為污染過(guò)程,這是農(nóng)業(yè)地質(zhì)基礎(chǔ)調(diào)查后科學(xué)工作者要解決和思考的問(wèn)題。筆者運(yùn)用地球化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化方法劃分平湖市農(nóng)田土壤重金屬自然積累過(guò)程和人為污染過(guò)程,進(jìn)

3、而評(píng)價(jià)重金屬的人為污染狀況,為修復(fù)治理工作提供科學(xué)依據(jù)。1 材料與方法1.1 樣點(diǎn)布置與樣品采集2007年11月15日至30日采集平湖市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)田020cm 表層土壤。為反映真實(shí)的農(nóng)田土壤重金屬狀況,采樣點(diǎn)盡量遠(yuǎn)離水網(wǎng)、公路和工廠等人為活動(dòng)較大的地方,各采樣點(diǎn)按S 形4點(diǎn)取樣,4個(gè)樣品組合成1件樣品。隨機(jī)采集土壤樣品36件,每件樣品原始質(zhì)量超過(guò)1000g 。樣品采集均使用新的布袋,采集后及時(shí)放在干凈處通風(fēng)干燥。采樣點(diǎn)位置用GPS 定位記錄。平湖市農(nóng)田土壤采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。樣品干燥碾碎過(guò)20目篩后及時(shí)送往中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)地球物理勘查研究所測(cè)試,測(cè)試指標(biāo)有As 、Cd 、Cr 、Cu 、H g

4、、Li 、Ni 、Pb 、Y 、Zn 和Al 等,均按中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局2005年9月頒布的 生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析技術(shù)要求! 進(jìn)行。圖1 平湖市農(nóng)田土壤采樣點(diǎn)分布圖1.2 數(shù)據(jù)處理地球化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化方法(簡(jiǎn)稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)化方法是地球化學(xué)研究中常用的一種方法,是研究海洋及河口沉積物的粒徑變化對(duì)化學(xué)元素濃度變化的主要方法,同時(shí)在研究其他地球化學(xué)作用時(shí)也常被使用。ALOU PI 等2在研究希臘H abo r 海灣沉積物的過(guò)程中采用了標(biāo)準(zhǔn)化方法。運(yùn)用該方法對(duì)四川攀枝花和江西德興地區(qū)的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)取得了很好的效果3,4,525。標(biāo)準(zhǔn)化方法理論假設(shè)認(rèn)為,在沒(méi)有人為污染的情況下,土壤中惰性元素(標(biāo)準(zhǔn)化元素的含量與

5、活性元素含量之間會(huì)存在一定的相關(guān)性。標(biāo)準(zhǔn)化方法的基本理論模型為:c m=ac N+b(1式中:c m為樣品中某活性元素的質(zhì)量濃度,m g/kg;c N為樣品中標(biāo)準(zhǔn)化元素的質(zhì)量濃度,mg/kg;a、b為回歸常數(shù),通過(guò)回歸方程求得。通過(guò)95%的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)后,得:B m=a c N+b(2式中:B m為樣品中活性元素的地球化學(xué)基線值, mg/kg;c N為樣品中標(biāo)準(zhǔn)化元素的平均質(zhì)量濃度(算數(shù)平均值,mg/kg。國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)化元素主要有Al665 67、Li7和Y8等。Al標(biāo)準(zhǔn)化方法是被廣泛接受的減少粒徑效應(yīng)的方法之一668 71,本文采用A l作為標(biāo)準(zhǔn)化元素。目前,判定人為環(huán)境影響較通用的方法是富

6、集因子法9。富集因子(EF是評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)環(huán)境介質(zhì)中潛在有毒元素富集程度影響的重要參數(shù),一方面元素分布的自然差異已被平衡,另一方面富集系數(shù)的大小反應(yīng)了該元素的污染程度10。富集因子的計(jì)算見(jiàn)式(3。EF=c mc N樣品B mc N基線(3土壤中富集因子與人為污染的關(guān)系見(jiàn)表1525。表1 富集因子分級(jí)表富集因子級(jí)別污染程度53顯著污染2 結(jié)果與評(píng)價(jià)2.1 農(nóng)田土壤重金屬元素的地球化學(xué)基線值平湖市農(nóng)田土壤中As、Cr、Cd、Pb、H g、Cu、Zn和Ni的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn),平湖市農(nóng)田土壤中As、Cd和H g與全國(guó)土壤背景平均值相比差距較大,最小值分別為全國(guó)土壤背景平均值的0.37、1

7、.19、1.44倍。從重金屬含量范圍和變異函數(shù)來(lái)看,重金屬含量的空間分布差異較大。t檢驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明各樣本之間差異顯著。以A l為標(biāo)準(zhǔn)化元素的表層土壤各重金屬元素的地球化學(xué)基線模型見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn),Cr、Pb、Cu、Zn、Ni和As與標(biāo)準(zhǔn)化元素A l的線性相關(guān)性較好,其地球化學(xué)基線值與GB15618#1995一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值相比差異不大,說(shuō)明用標(biāo)準(zhǔn)化方法得出的Cr、Pb、Cu、Zn、Ni和As的地球化學(xué)基線值是可信的;Cd和H g與標(biāo)準(zhǔn)化元素Al的線性相關(guān)性不好,但H g、Cd的地球化學(xué)基線值卻與浙北平均值、GB15618#1995一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值差異不大,筆者認(rèn)為其表2 平湖市農(nóng)田土壤重金屬統(tǒng)計(jì)分析結(jié)

8、果重金屬元素最小值/(mgkg-1最大值/(mgkg-1方差變異函數(shù)t檢驗(yàn)值全國(guó)土壤背景平均值/(m gkg-1重金屬元素基線模型R1地球化學(xué)基線值/(mgkg-1浙北平均值2/(m gkg-1土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)!(GB15618#1995一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值/(mgkg-1值也可信,造成相關(guān)性差的原因可能與Cd 、H g 受人類(lèi)活動(dòng)或土壤環(huán)境影響較大有關(guān)。2.2 農(nóng)田土壤重金屬元素組合特征。 圖2 農(nóng)田土壤重金屬元素聚類(lèi)分析圖由圖2可見(jiàn),平湖市農(nóng)田土壤重金屬元素組合特征為:Cd 元素一族;H g 元素一族;Cu 、Pb 、Ni 、As 、Cr 和Zn 元素為一組合族。Cd 在農(nóng)田土壤中呈現(xiàn)單獨(dú)性與其化

9、學(xué)行為比較活躍有關(guān),其受土壤環(huán)境變化影響較大,在表生氧化環(huán)境中影響土壤Cd 含量的因素眾多,導(dǎo)致其遷移活動(dòng)規(guī)律與其他重金屬元素有差異。Cu 、Pb 、Ni 、As 、Cr 和Zn 被普遍認(rèn)為是成礦元素,存在很好的親和性。董巖翔等162 64在研究浙北淺層和深層土壤背景值時(shí),也發(fā)現(xiàn)它們之間存在很好的相關(guān)關(guān)系。H g 單獨(dú)一族與人類(lèi)活動(dòng)有直接關(guān)系,目前普遍認(rèn)為人類(lèi)越密集的地區(qū),土壤H g 含量越高11 13。2.3 農(nóng)田土壤重金屬人為污染情況以Al 為標(biāo)準(zhǔn)化元素,運(yùn)用富集因子法評(píng)價(jià)平湖市農(nóng)田土壤重金屬人為污染狀況,結(jié)果見(jiàn)表4和圖3。表4 平湖市農(nóng)田土壤重金屬人為污染評(píng)價(jià)結(jié)果重金屬元素?zé)o污染/件輕微

10、污染/件中度污染/件顯著污染/件As 142200C r 181800Cu 132300Pb 102600Ni 92700Zn 162000Cd 211500H g24102評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,平湖市約50%農(nóng)田土壤受到了重金屬人為污染,其中61.1%受到了As 污染,50.0%受到了Cr 污染,63.9%受到了Cu 污染,72.2%受到了Pb 污染,75.0%受到了Ni 污染,55.6%受到了Zn 污染,41.7%受到了Cd 污染,33.3%受到了H g 污染,污染程度除了5.6%的農(nóng)田土壤受到了H g 中度人為污染外,其余均為輕微人為污染。不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)田土壤重金屬人為污染的程度不同,其中城市近郊地

11、區(qū)和當(dāng)湖鎮(zhèn)的農(nóng)田土壤重金屬人為污染程度最嚴(yán)重,這與它們距離市中心較近有必然聯(lián)系。市中心工業(yè)和人口相對(duì)密集,加速了土壤重金屬人為污染的程度,越接近市中心污染程度越嚴(yán)重;同時(shí),20世紀(jì)70、80年代大量使用的高H g 農(nóng)藥殘留也有影響。乍浦鎮(zhèn)人為污染程度最輕,除了Pb 和Cd 存在輕微人為污染外,其余均為本底值,這可能與乍浦鎮(zhèn)位于杭州灣邊界,物質(zhì)循環(huán)相對(duì) 圖3 平湖市農(nóng)田土壤重金屬人為污染評(píng)價(jià)圖頻繁有關(guān),也與乍浦鎮(zhèn)為水產(chǎn)品生產(chǎn)基地,工業(yè)相對(duì)單一有關(guān)。Pb的遷移途徑主要來(lái)源于大氣干濕沉降14,15,周邊城鎮(zhèn)的大氣干濕沉降導(dǎo)致了平湖市農(nóng)田土壤Pb的增加;Cd的污染有可能與污水灌溉有關(guān)系。其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)如林埭

12、鎮(zhèn)表現(xiàn)為Cd、Pb、As、Cr、Zn、Cu和Ni人為污染;新埭鎮(zhèn)為As、N i、Pb和Cd 人為污染;曹橋鎮(zhèn)為Ni、Cr、A s、Cd和H g人為污染;鐘埭鎮(zhèn)為Cu、Ni、As、Cr和H g人為污染;廣陳鎮(zhèn)為Zn、Cu、Ni、As、Cd和Cr人為污染;新倉(cāng)鎮(zhèn)為Zn、Pb、Ni、As、Cr和H g人為污染;黃姑鎮(zhèn)為Zn、Pb、Ni、Cu、Cr和Cd人為污染;全塘鎮(zhèn)表現(xiàn)為Cr、Cu、Ni、Pb、Zn和Cd人為污染。不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)田人為污染類(lèi)型差異可能與土地種植管理方式有關(guān),隨意施肥和污水灌溉均會(huì)造成大面積的農(nóng)田土壤重金屬人為污染。李海華等16、鄧煥廣等17研究發(fā)現(xiàn),亂堆、亂放生活垃圾的滲濾液流入農(nóng)田也

13、能造成土壤重金屬污染。3 結(jié)論與展望(1平湖市農(nóng)田土壤Cr、Pb、Cu、Zn、Ni和As 與標(biāo)準(zhǔn)化元素Al線性相關(guān)性較好,地球化學(xué)基線值可信;H g和Cd雖與Al線性相關(guān)性不好,筆者認(rèn)為其基線值也可信。造成Cd和H g與標(biāo)準(zhǔn)化元素Al的線性相關(guān)性不好的原因可能與Cd和H g受土壤環(huán)境或人類(lèi)活動(dòng)影響較大有關(guān),具體原因還需進(jìn)一步探討。多變量聚類(lèi)分析發(fā)現(xiàn),Cd和H g各自為一族,Cu、Pb、Ni、As、Cr和Zn為一組合族,這與元素本身地球化學(xué)性質(zhì)有直接關(guān)系。(2平湖市約50%的農(nóng)田土壤受到了重金屬人為污染,除5.6%的農(nóng)田土壤受到了H g中度人為污染外,其余均為輕微人為污染。不同城鎮(zhèn)重金屬人為污染

14、類(lèi)型不同,可能與土地種植方式不同有關(guān)。加強(qiáng)農(nóng)藥化肥的科學(xué)指導(dǎo)、灌溉水源的水質(zhì)監(jiān)測(cè)和生活垃圾的統(tǒng)一管理,對(duì)該地區(qū)農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量的改善具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。參考文獻(xiàn):1 董巖翔,鄭文,周建華.浙江省土壤地球化學(xué)背景值M.北京:地質(zhì)出版社,2007.2 ALOUPI M,ANGELIDIS M O.Geochemistry of natural andanthropogenic metals in the coas tal s ediments of th e island ofLesvos,Aegean S eaJ.Environmental Pollution,2001,113(2:211 21

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